冲压模具设计与制造基础.docx

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冲压模具设计与制造基础

冲压模具设计与制造基础

冲压模具设计与制造基础第一章冲压模具设计与制造基础冲压--是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。

冲压模具--在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。

在冲压零件的生产中，合理的冲压成形工艺、先进的模具、高效的冲压设备是必不可少的三要素，如图１.１.１所示.冲压工艺分类冲压加工因制件的形状、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。

根据材料的变形特点可将冷冲压工序分为分离工序和成形工序两类。

分离工序——是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到强度极限σb以后，使坯料发生断裂而产生分离。

分离工序主要有剪裁和冲裁等。

成形工序——是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到屈服极限σs，但未达到强度极限σb，使坯料产生塑性变形，成为具有一定形状、尺寸与精度制件的加工工序。

成形工序主要有弯曲、拉深、翻边、旋压等。

有关冲压工序的详细分类与特征，见表１.１.１和表１.１.2冲压模具分类冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。

模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

冲压模具的形式很多，一般可按以下几个主要特征分类：

１．根据工艺性质分类（１）冲裁模沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。

如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。

（２）弯曲模使板料毛坯或其他坯料沿着直线（弯曲线）产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工件的模具。

（３）拉深模是把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。

（４）成形模是将毛坯或半成品工件按图凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。

如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。

２．根据工序组合程度分类（１）单工序模在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。

（２）复合模只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。

３）级进模（也称连续模）在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。

压力机类型的选择

（1）中、小型冲压件选用开式机械压力机；

（2）大、中型冲压件选用双柱闭式机械压力机；（3）导板模或要求导套不离开导柱的模具，选用偏心压力机；形模等。

（4）大量生产的冲压件选用高速压力机或多工位自动压力机；（5）校平、整形和温热挤压工序选用摩擦压力机；（6）薄板冲裁、精密冲裁选用刚度高的精密压力机；（7）大型、形状复杂的拉深件选用双动或三动压力机；（8）小批量生产中的大型厚板件的成形工序，多采用液压压力机。

2．压力机规格的选择

（1）公称压力压力机滑块下滑过程中的冲击力就是压力机的压力。

压力的大小随滑块下滑的位置不同，也就是随曲柄旋转的角度不同而不同，如图1.2.4中曲线Ｉ所示。

压力机的公称压力----我国规定滑块下滑到距下极点某一特定的距离Sp（此距离称为公称压力行程，随压力机不同此距离也不同，如JC23-40规定为7mm,JA31-400规定为13mm，一般约为（0.05～0.07）滑块行程）或曲柄旋转到距下极点某一特定角度α（此角度称为公称压力角，随压力机不同公称压力角也不相同）时，所产生的冲击力称为压力机的公称压力。

公称压力的大小，表示压力机本身能够承受冲击的大小。

压力机的强度和刚性就是按公称压力进行设计的。

压力机的公称压力与实际所需冲压力的关系----冲压工序中冲压力的大小也是随凸模（或压力机滑块）的行程而变化的。

在图1.2.4中曲线2、3分别表示冲裁、拉深的实际冲压力曲线。

从图中可以看出两种实际冲压力曲线不同步，与压力机许用压力曲线也不同步。

在冲压过程中，凸模在任何位置所需的冲压力应小于压力机在该位置所发出的冲压力。

图中，最大拉深力虽然小于压力机的最大公称压力，但大于曲柄旋转到最大拉深力位置时压力机所发出的冲压力，也就是拉深冲压力曲线不在压力机许用压力曲线范围内。

故应选用比图中曲线1所示压力更大吨位的压力机。

因此为保证冲压力足够，一般冲裁、弯曲时压力机的吨位应比计算的冲压力大30%左右。

拉深时压力机吨位应比计算出的拉深力大60%～100%。

（７）电动机功率的选择必须保证压力机的电动机功率大于冲压时所需要的功率。

常用压力机的技术参数可查阅有关手册。

模具安装在压力机上安装与调整模具，是一件很重要的工作，它将直接影响制件质量和安全生产。

因此，安装和调整冲模不但要熟悉压力机和模具的结构性能，而且要严格执行安全操作制度。

模具安装的一般注意事项----检查压力机上的打料装置，将其暂时调整到最高位置，以免在调整压力机闭合高度时被折弯；检查模具闭合高度与压力机闭合高度之间的关系是否合理；检查下模顶杆和上模打料杆是否符合压力机的除料装置的要求（大型压力机则应检查气垫装置）；模具安装前应将上下模板和滑块底面的油污揩拭干净，并检查有无遗物，防止影响正确安装和发生意外事故。

模具安装的一般顺序（指带有导柱导向的模具）：

①根据冲模的闭合高度调整压力机滑块的高度，使滑块在下止点时其底平面与工作台面之间的距离大于冲模的闭合高度。

②先将滑块升到上止点，冲模放在压力机工作台面规定位置，再将滑块停在下止点，然后调节滑块的高度，使其底平面与冲模座上平面接触。

带有模柄的冲模，应使模柄进入模柄孔，并通过滑块上的压块和螺钉将模柄固定住。

对于无模柄的大型冲模，一般用螺钉等将上模座紧固在压力机滑块上，并将下模座初步固定在压力机台面上（不拧紧螺钉）。

③将压力机滑块上调3～5mm，开动压力机，空行程1～2次，将滑块停于下止点，固定住下模座。

④进行试冲，并逐步调整滑块到所需的高度。

如上模有顶杆，则应将压力机上的卸料螺栓调整到需要的高度。

冲压材料与冲裁性能冲压成形是金属塑性成形加工方法之一，是建立在金属塑性变形理论基础上的材料成形工程技术。

要掌握冷冲压成形加工技术，就必须具有金属塑性变形理论的基础知识。

在金属材料中，原子之间作用着相当大的力，足以抵抗重力的作用，所以在没有其它外力作用的条件下，金属物体将保持自有的形状和尺寸。

弹性变形-----当物体受到外力作用之后，它的形状和尺寸将发生变化即变形，变形的实质就是原子间的距离产生变化。

假如作用于物体的外力去除后，由外力引起的变形随之消失，物体能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。

塑性变形-----如果作用于物体的外力去除后，物体并不能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。

塑性变形和弹性变形都是在变形体不破坏的条件下进行的（即连续性不破坏）通常用塑性表示材料塑性变形能力。

塑性-----指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力。

金属的塑性不是固定不变的，影响它的因素很多，除了金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等内在因素之外，其外部因素——变形方式（机械因素即应力状态与应变状态）、变形条件（物理因素即变形温度与变形速度）的影响也很大。

影响金属塑性的主要因素如表1.3.1所示。

衡量金属塑性高低的参数称为塑性指标（延伸率δ、断面收缩率ψ）。

塑性指标-----是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，它可借助于各种实验方法测定。

目前应用比较广泛的是拉伸试验，对应于拉伸试验的塑性指标，用延伸率δ和断面收缩率ψ表示。

δ和ψ的数值由下式确定：

需要指出，各种试验方法都是相对于特定的受力状况和变形条件的，由此所测定的塑性指标，仅具有相对的比较意义。

变形力-----塑性变形时，使金属产生变形的外力称为变形力。

变形抗力-----金属抵抗变形的力称为变形抗力，它反映材料产生塑性变形的难易程度，一般用金属材料产生塑性变形的单位变形力表示其大小。

金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。

一般会产生加工硬化或应变刚现象，即金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性；由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。

弹性模量是材料的刚度指标。

弹性模量愈大，在成形过程中抗压失稳能力愈强，卸载后弹性恢复愈小，有利于提高零件的尺寸精度。

（4）硬化指数n硬化指数n表示材料在冷塑性变形中材料硬化的强度。

n值越大的材料，硬化效应就大，这对于伸长类变形来说是有利的。

因此n值增大，则变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力增大，这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱，从而制止了局部集中变形的进一步发展，具有扩展变形区、使变形均匀化和增大极限变形程度的作用。

可以证明，材料的硬化指数n，其值为细颈点应变εj，所以硬化指数n愈高，材料均匀变形的能力愈强。

冲压加工所用板料，都是经过轧制的材料。

因纤维组织的影响，其纵向与横向上性能有明显差异，在不同方向上ｒ值也不相同，因此通常取其平均值。

模具材料的选用，不仅关系到模具的使用寿命，而且也直接影响到模具的制造成本，因此是模具设计中的一项重要工作。

在冲压过程中，模具承受冲击负荷且连续工作,使凸、凹模受到强大压力和剧烈磨擦，工作条件极其恶劣。

因此选择模具材料应遵循如下原则：

（1）根据模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用要求，应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击、耐疲劳性等；

（2）根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料；（3）满足加工要求，应具有良好的加工工艺性能，便于切削加工，淬透性好、热处理变形小；（4）满足经济性要求。

模具材料的种类很多，应用也极为广泛。

冲压模具所用材料主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、钢结硬质合金以及锌基合金、低熔点合金、环氧树脂、聚氨酯橡胶等。

冲压模具中凸、凹模等工作零件所用的材料主要是模具钢，常用的模具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金和钢结硬质合金等（可参见GB/T699—1999、GB/T1298—1986、GB/T1299—2000、JB/T5826—1991、JB/T5825—1981、JB/T5827—1991等）。

—表1.4.3是常用冷作模具钢国内、外牌号对照模具工作零件的常用材料及热处理要求见表1.4.4模具一般零件的常用材料及热处理要求见表1.4.5模具零件加工常见热处理方法有退火、调质、淬火、回火、渗碳、氮化等，见表1.4.6凸模和凹模加工过程中热处理工序安排，见表1.4.7常用机械加工方法在模具零件加工中的应用如表1.5.1所示。

常用机械加工方法可能达到的尺寸精度和表面粗糙度如表1.5.2～表1.5.3所示。

（三）模具零件的电加工1．电火花加工电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种工艺方法，它是不断放电蚀除金属的过程。

其加工原理、特点及应用如表1.5.7所示。

电火花加工质量主要受电极制造精度、脉冲放电参数（电规准）、放电间隙、电极损耗的影响，其中电极的设计与制造是关键。

（1）电极材料常用电极材料的种类和性能见表1.5.8所示。

选择时应根据加工对象、工艺方法和加工设备条件等因素综合考虑，对大中型腔可采用石墨材料电极；中小型腔、窄槽等可采用纯铜电极。

（2）电极设计与制造电极必须根据模具结构和精度要求，考虑电极损耗和放电间隙等因素进行设计。

电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼电极三种，应根据电极大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素进行选择。

通常电极精度至少应达到IT7、Ra1.6μm。

电极加工主要采用切削加工，必要时可再采用电加工。

尽管电火花加工有许多优点，但仍有一定的局限性：

①需要制作成形电极；②只能用于加工金属等导电材料；③加工速度一般较慢，为了提高加工速度，一般要事先用机械加工方法对零件进行预加工；④存在电极损耗，影响加工精度；⑤最小角部半径有限制，一般电火花加工加工能得到的最小角部半径等于放电间隙。

2．电火花线切割加工电火花线切割加工和电火花成形加工的原理是一样的，都是基于工具电极和工件之间脉冲放电时的腐蚀现象使金属熔化或气化，从而实现对各种形状金属零件的加工。

不过在线切割加工时，是用连续移动的电极丝作为工具电极代替电火花加工中的成形电极，其加工原理、特点及应用如表1.5.11所示电火花线切割加工的工艺过程如表1.5.12所示。

需要特别指出，电火花线切割加工时要注意工件内部残余应力对加工的影响，防止变形。

对热处理后的毛坯进行电火花线切割加工时，由于大面积去除金属和切断加工，会使材料内部残余应力的相对平衡受到破坏从而产生变形，破坏了加工精度。

在线切割过程中，由于内应力的作用，工件可能会突然开裂。

为减少这些情况，应选择锻造性能好，淬透性好，热处理变形小的材料，如以线切割为主要加工工艺的冷冲模，应尽量选用CrWMn、Cr12MoV、GCr15等合金钢制造凸、凹模，并严格热处理规范；另一方面，也要合理安排电火花线切割工艺，如选择合理的线切割路线等。

必要时切割孔类工件为减小变形，可采用二次切割法。

（四）模具零件常用精加工方法比较模具制造技术是技术密集的综合加工技术，是先进制造技术的重要体现。

现代模具制造一般要涉及多种先进加工方法，模具零件常用精加工方法比较如表1.5.13所示。

工艺规程是模具制造过程中的重要技术文件。

制定工艺规程是生产准备工作的重要内容，是一项技术性和实践性都十分强的工作，是否先进、合理，直接影响到模具加工的质量、周期和成本。

工艺规程必须针对加工对象，结合企业实际生产条件进行制定，技术上要先进、经济上要合理。

模具零件加工工艺规程制定的一般步骤和所包含的基本内容见表1.5.14所示。

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